Navigation Grundlagen und Funktion

1. NavigationGrundlagen und Funktion Daniel Gramlich

2. Historie Erprobungsphase im Jahre 1974 bis 1979 (Nordamerikanischer Kontinent vier Stunden). Mit der Erweiterung auf 9 bis 11 Satelliten wurde der Weltweite Dauerbetrieb möglich. 1982 Ausbau auf derzeit 24 bis 27 Satelliten. GPS wurde am 17. Juli 1995 offiziell in Betrieb genommen Daniel Gramlich

3. Historie 1989 Navigationssystem IDS: Navigationsrechner, Magnetkompass, zwei Radsensoren. Display: 4,5 Zoll monochrom-grün Bildschirm mit Bildröhre. Navigation ausschließlich über Fahrzeuginformations- geber. Keine Sprachausgabe. Später wurde ein sequenzieller Einkanal- GPS Empfang verfügbar. Daniel Gramlich

4. Historie 1995 Navigationssystem TravelPilot RGS 05: Navigationsrechner, Magnetkompass, zwei Radsensoren separates Bedienteil Display: 4 Zoll (später 5 Zoll) Flachbildschirm in Farbe. Mit Sprachausgabe. Navigation über Fahr- zeuginformationsgeber und einem acht Kanal GPS Empfänger (gleichzeitiger Empfang von acht Satelliten). Daniel Gramlich

5. Historie 1997 Navigationssystem TravelPilot RGS 06: Navigationsrechner, einem Radsensor separates Bedienteil, Drehwinkelsensor (GYRO) (ersetzt den Kompass) Display: 5 Zoll Flachbildschirm in Farbe. Navigation über Wegstreckensensor und GPS Empfänger (Empfänger im Gerät). Daniel Gramlich

6. Historie 1998 Navigationssystem TravelPilot RGS 08: Navigationsrechner, einem Radsensor oder Tachosignal, separates Bedienteil, Drehwinkel- sensor. (GYRO) Display: 5 Zoll Flachbildschirm in Farbe. Navigation über Weg- streckensensor und GPS Empfänger (Empfänger im Gerät). Daniel Gramlich

7. Historie 1999 Navigationssystem TravelPilot DX-N: Navigationsrechner, einem Radsensor oder Tachosignal, separates Bedienteil (auch mit Infrarot), Drehwinkelsensor (GYRO) Display: 5 Zoll Flachbildschirm in Farbe. Navigation über Weg- streckensensor und GPS Empfänger (Empfänger im Gerät). Neuer Bedienoberfläche. Optionaler dynamischer Navigation. Daniel Gramlich

8. Historie 1999 Navigationssystem TravelPilot RNS 149: Navigationsrechner, Drehwinkelsensor (GYRO) und GPS Empfänger in einem. Radsensor oder Tachosignal als Wegstrecken- informationsgeber. Optionaler dynamischer Navigation bei DX Modellen Daniel Gramlich

9. Historie Einsatz des ersten PDA´s und Portable Navigationsgeräte wie Tom Tom oder Mobiltelefone die man mit einer Bluetooth GPS Antenne oder USB Antenne nachrüsten konnte. 2002 Nokia Handynavigation PDA Navigation Tom Tom one Navigation Daniel Gramlich

10. Aktuell Navigon 2100max DACH Tom Tom Apple I-Phone Daniel Gramlich

11. System E (Blaupunkt) Neuere Systeme brauchen nach der Zieleingabe die CD nicht mehr ! Das Laufwerk kann dann zum abspielen von Musik CD`s verwendet werden. Daniel Gramlich

12. Vorzüge der Navigation Keine lästigen Papierkarten mehr ... oder doch?... Ziele sind speicherbar. (Forstwirtschaft) Aufmerksamkeit im Verkehr ist höher. Richtungsangaben auf Wegweisern oft unklar. Kaum Stau bei dynamischer Verkehrsführung (TMC). Neue Berechnung bei falschem abbiegen. Daniel Gramlich

13. Satelliten- Navigation 20183 km 24 bis 27 In einer Höhe von ________ umkreisen _________ Satelliten in 6 Umlaufbahnen (4 je Umlaufbahn) die Erde. Die Umlaufzeit beträgt 11 Stunden und 58 Minuten. Daher ergibt sich in 24 Stunden eine Positionsabweichung von einem Grad nach Osten. Über ein Weltumfassendes Kontrollsystem werden die Positionen der Satelliten überwacht und bei Bedarf korrigiert. Daniel Gramlich

14. Bestimmung der Position Aktivierung des Systems (bei Klemme 15) Mindestens 3 Satelliten sind für die Ortung erforderlich. GPS- Satelliten senden 50 mal pro Sekunde Daten über Bahn, Zeit und Identifikation mit einer Sende- leistung von 50 Watt zur Erde. Durch die Laufzeit der Signale kann die Entfernung zum Satelliten und damit die eigene Position bestimmt werden. Daniel Gramlich

15. Bestimmung der Position Funktion: Ein Satellit sendet „Bin x meine Position ist Y und diese Daten sind um …Uhr aus- gesendet worden.“ Die anderen machen das gleiche mit anderen Daten. (Almanach Daten) Daniel Gramlich

16. Bestimmung der Position Funktion: Bei zwei Satelliten sind zwei Positionen möglich. Erst mit dem Dritten ist eine klare Position vorhanden. (Die Ausstrahlung der Daten der Satelliten stellt man sich als Kegel vor.) Daniel Gramlich

17. Bestimmung der Position Funktion: Wir sprechen von „Trilateration“ Beim dritten Satelliten ist nur noch eine Position möglich. Daniel Gramlich

18. Almanach-Daten Zur Initialisierung der Geräte werden die so genannten Almanach-Daten übertragen, die die groben Bahndaten ALLER Satelliten enthalten und zur Übertragung über Zwölf Minuten benötigen. Daniel Gramlich

19. Genauigkeit des GPS Für militärische Zwecke ca. drei bis fünf Meter. Für zivile Zwecke 10 Meter. (Störsignale, Verschlüsselung) Vor Mai 2000 100 Meter. (Störsignale, Verschlüsselung) Daniel Gramlich

20. Selective Availability Um nicht-autorisierte Benutzer (potentielle militärische Gegner) von einer genauen Positionsbestimmung auszuschließen, wurde die Genauigkeit für Benutzer, die nicht über einen Schlüssel verfügen, künstlich verschlechtert (Selective Availability = SA, mit einem Fehler von größer 100 m). Am 2. Mai 2000 wurde diese künstliche Ungenauigkeit der Satelliten abgeschaltet, ab ca. 4:05 Uhr UTC sendeten alle Satelliten ein SA-freies Signal. Seitdem kann das System auch außerhalb des bisherigen exklusiven Anwendungsbereichs zur präzisen Positionsbestimmung genutzt werden. Dies führte unter anderem zum Aufschwung der Navigationssysteme in Fahrzeugen und im Außenbereich, da der Messfehler nun in mindestens 90 % der Messungen geringer als 10 m ist. Daniel Gramlich

21. Fehlerquellen des GPS Funkstörung durch Ionosphäre und Atmosphäre. Ionosphärische Störung: Elektrisch geladene Teilchen, die sich in einer Höhe von 130 bis 200 km bewegen, reduzieren die Geschwindigkeit der GPS- Signale. (Kompensation durch Laufzeitvergleichsmessung zweier Trägersignale möglich) Daniel Gramlich

22. Fehlerquellen des GPS Atmosphärische Störung: Wasserdampf (Nebel) oder Wettereinflüsse (z.B. Eis auf der GPS Antenne) können das Satelliten- signal abschwächen. (Auswirkung kleiner 10m) Kombiantennen: Schlechte Masseverbindung (schlechte Abstrahlung) dadurch schlechtes GSM Signal! Daniel Gramlich

23. Fehlerquellen des GPS Auch kann der GPS-Empfang durch starke Schneefälle gestört werden. Sonstige Wetterverhältnisse, wie Regen und Nebel, beeinträchtigen den Empfang normalerweise jedoch nicht — allerdings ist der Empfang unter regennassem Laub im Wald deutlich schlechter als bei trockener Witterung. Daniel Gramlich

24. Fehlerquellen des GPS 2006 entdeckte Alessandro Cerruti von der amerikanischen Cornell University, dass Funkwellen durch Sonneneruptionen gestört werden kann. In den vergangenen Jahren waren diese – und die damit verbundenen geomagnetischen Stürme – wenig ausgeprägt, sie sollen jedoch ab 2011 wieder zunehmen. Daniel Gramlich

25. Fehlerquellen des GPS Häuserschluchten, Täler und Tunnel sowie Parkhäuser können die „Sichtverbindung“ ebenso beeinträchtigen wie ein Signalabschattung: Vorraussetzung für einen guten Empfang ist die freie „Sichtverbindung“ zwischen GPS-Antennen und den Satelliten. Dachgepäckträger oder ein schlecht gewählter Einbau- ort der GPS- Antenne. Ergebnis: ungenaue oder keine Positionsbestimmung Daniel Gramlich

26. Fehlerquellen des GPS Mehrwegempfang: Reflektierte Signale führen durch die verlängerte Signallaufzeit zu Fehlberechnungen. Durch mathe- matische Korrektur werden solche Fehler erkannt und korrigiert. Daniel Gramlich

27. Fehlerquellen des GPS Beeinflussung der Satellitenuhren: Das US- Amerikanische Verteidigungsministerium kann die Genauigkeit der Satellitenuhren beeinflussen bzw. ein Störsignal in Krisensituationen Aufgeschalten. Dadurch fehlerhafte Laufzeit- berechnung der GPS- Signale. Folge: ungenaue Positionsbestimmung Daniel Gramlich

28. Ortung Ortung ist die Bestimmung der aktuellen Position, der Fahrtrichtung, sowie der Fahrgeschwindigkeit. Koppelortung: Das Fahrzeugnavigationssystem bestimmt (aus- gehend von einer bekannten Anfangsposition) die aktuelle Position durch Addition von Wegstücken. Information von Wegstreckensensor oder Tachosignal, Drehwinkelsensor, CD-ROM, Navi- gationssteuergerät. Daniel Gramlich

29. Ortung Satellitenortung: Satellit, GPS- Antenne und Empfänger, Navigations- steuergerät. Navigation: Umfasst die Ortung und zusätzlich die Bestimmung von Richtung und Entfernung eines Fahrzeuges zum Ziel sowie die erforderlichen Maßnahmen, dieses Ziel zu erreichen. Merke: Koppelortung +Satellitenortung =Fahrzeugnavigation Daniel Gramlich

30. „MAP Matching“ Aus den Signalen des Drehwinkel- und des Tacho- oder Radsensors bestimmt der Navigationsrechner die Zurückgelegte Wegstrecke sowie die Fahrt- richtungsänderung und erkennt den Streckenverlauf. Aus diesem Zusammenspiel ergibt sich die Koppel- ortung. Mehrmals pro Sekunde führt der Navigations- rechner ein „Map-Matching“ durch. Vergleich der gespeicherten Straßenkarte auf CD mit dem gefahrenen Streckenverlauf. Daniel Gramlich

31. Ortung Koppelortung Satellitenortung (GPS) + -   Daniel Gramlich

32. Funktion Daniel Gramlich

33. Sensoren / Informationsgeber GPS (Global PositioningSystem) Antennen: Bei Ausfall oder Fehlfunktion: Ausschließlich Koppelortung möglich. Daniel Gramlich

34. Sensoren / Informationsgeber Tachosignal: www.speedsignal.de Wie und wo messe ich ein Signal? Wie sieht das gemessene Signal aus? Signalform: Rechteck Signalspannung: ≤1,5V Pulszahl:min.3 Pulse pro Radumdreh (0,5 Hz) Frequenz max: 4 kHz Bei Ausfall oder Fehlfunktion: Keine Koppelortung mehr möglich. Daniel Gramlich

35. Sensoren / Informationsgeber Tachosignal: www.speedsignal.de Abgriff z.B. am Tacho oder Motorsteuergerät. Achtung: Fahrtenschreiber! Messung mit Oszilloskop. Daniel Gramlich

36. Sensoren / Informationsgeber Radsensor: Induktiv- oder Hallgeber der mit dem ABS Steuergerät verbunden ist. Bei Ausfall oder Fehlfunktion: Keine Koppelortung mehr möglich. Daniel Gramlich

37. Sensoren / Informationsgeber Rückfahrschalter: Da Tachosignale nicht Richtungweisend sind, wird Rückfahrsignal benötigt. (Masse bei Vorwärtsgang) Bei Ausfall oder Fehlfunktion: Fahrzeug fährt vorwärts Rechner Info: Rück- wärts. Daniel Gramlich

38. Sensoren / Informationsgeber Kardanwellengeber: Montage erfolgt direkt an der Kardanwelle (meist bei NFZ) durch Induktiv- oder Hall- geber. Bei Ausfall oder Fehlfunktion: Keine Koppelortung mehr möglich. Daniel Gramlich

39. Sensoren / Informationsgeber Tachowellengeber: Bei Ausfall oder Fehlfunktion: Keine Koppelortung mehr möglich. Daniel Gramlich

40. Sensoren / Informationsgeber Die Richtungsänderung eines Fahrzeuges muß erfasst werden. Folgende Einrichtungen kommen in Navigationssystemen zum Einsatz: Älter: Magnetfeldsonde (Kompass) Modern: Dreh- winkelsensor (Gyro) Daniel Gramlich

41. Sensoren / Informationsgeber Magnetfeldsonde:(Kompass) (Heute ersetzt durch GYRO) Wesentlicher Nachteil: Sehr empfindlich gegen Magnetfelder. Bei Ausfall oder Fehlfunktion: Keine Koppelortung mehr möglich. Daniel Gramlich

42. Sensoren / Informationsgeber Shunt: Dient zur Kompensation des Magnetfeldes bei eingeschalteter Heck- scheibenheizung. Bei Ausfall oder Fehlfunktion: Falsche Richtungsangabe an Navigations steuergerät. Ausfall Heckscheibenheizung. Daniel Gramlich

43. Sensoren / Informationsgeber Drehwinkelsensor (Gyroskop): Stimmgabelkörper mit vier Piezoelementen Bei anliegender Spannung beginnen unteren Piezo- elemente zu Vibrieren. Daniel Gramlich

44. Sensoren / Informationsgeber Drehwinkelsensor (Gyroskop): Mögliche Schwingungs- richtungen bei Drehung. Daniel Gramlich

45. Sensoren / Informationsgeber Drehwinkelsensor (Gyroskop): Bei Fahrt gerade aus sind nur Schwingungen in einer Richtung vor- handen. Daniel Gramlich

46. Sensoren / Informationsgeber Drehwinkelsensor (Gyroskop): Bei Kurvenfahrt sind alle Schwingungs- richtungen möglich. Bei Ausfall ist keine Navi- gation mehr möglich. Daniel Gramlich

47. Sensoren / Informationsgeber Drehwinkelsensor (Gyroskop): Der Einbauort des Drehwinkelsensors ist im Navigations- rechner selbst. Daniel Gramlich

48. Sensoren / Informationsgeber Drehwinkelsensor (Gyroskop): Wichtig ist die Einstellung des Einbauwinkels am Gerät ! Daniel Gramlich

49. Sensoren / Informationsgeber Drehwinkelsensor (Gyroskop): Vorteile des Drehwinkelsensors: • geringe Bauhöhe • hohe Genauigkeit • keine Kalibrierung • unempfindlich gegen Magnetische Störungen • Einbaulage einstellbar. Daniel Gramlich

50. Sensoren / Informationsgeber TMC (Traffic Message Channel) Die Stauinformationen werden ständig auf einer festgelegten Radio-Frequenz gesendet. Bei Ausfall oder Fehlfunktion: Keine Dynamische Führung mehr möglich. Daniel Gramlich